[논문]압축성 유동해석에 기초한 곡면 세정을 위한 브라스팅 광폭 노즐의 설계 및 성능시험

김태형; 곽준구; 손명환

doi:10.5855/energy.2019.28.1.057

[국내논문] 압축성 유동해석에 기초한 곡면 세정을 위한 브라스팅 광폭 노즐의 설계 및 성능시험
Design and Performance Test of Wide Blasting Nozzle for Curved Surface Cleaning based on Compressible Flow Analysis 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.1, 2019년, pp.57 - 64

김태형 (청주대학교 항공기계공학과) , 곽준구 (청주대학교 항공기계공학과) , 손명환 (청주대학교 항공기계공학과)

초록
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본 연구에서는 산업용 발전설비 부품의 곡면을 표면처리 하기 위한 브라스팅 노즐을 설계한 후 압축성 유동해석을 통해 분사 성능을 살펴보았다. 이때 곡면 노즐의 출구는 부품의 표면을 따라 곡면으로 설계되었다. 3차원 프린팅으로 노즐을 제작한 후 실린더형 시편의 표면에 연마재를 분사하여 세정 성능시험을 수행하였다. 해석 후 얻은 유효 세정 면적과 실험 후 얻은 유효 세정 면적의 크기와 형상이 유사하였으며 이로부터 곡면형 노즐 설계의 타당성 및 실효성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the blasting nozzle for surface treatment of the curved surface of parts in power plant industry was designed and the cleaning performance was examined through the compressible flow analysis. At this time, the outlet of the curved nozzle was designed as a curved surface along the surface of the part. After the nozzle was made by 3-D printing, the abrasive was sprayed on the surface of the cylindrical specimen and the cleaning performance test was performed. The effective cleaning area obtained after the analysis was similar to the size and shape of the effective cleaning area obtained after the experiment. From this, the validity and effectiveness of the curved nozzle design was confirmed.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Specification of standard type blasting nozzle
그림 Fig. 2 Flow analysis model of the standard blasting nozzle
그림 Fig. 3 Pressure distribution after incompressible flow analysis of standard blasting nozzle
그림 Fig. 4 Effective cleaning area after blasting test of standard nozzle
그림 Fig. 5 Effective cleaning area after blasting test of standard nozzle
그림 Fig. 6 Curved nozzle with wide bores
그림 Fig. 7 Flow analysis models of wide bore nozzles
그림 Fig. 8 Flow velocity and pressure distribution after compressible flow analysis
그림 Fig. 9 Pressure distribution after compressible flow analysis of the curved wide bore nozzle
그림 Fig. 10 Cleaning performance test of the wide bore nozzle A
그림 Fig. 11 Cleaning performance test of the wide bore nozzle B

AI 본문요약
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가설 설정

2는 직선형 와이드 보어를 갖는 브라스팅 노즐의 유동해석을 위한 유한요소 모델을 보여준다. 유동해석을 위해 상용 유한요소 해석 소프트웨어인 Ansys workbench를 사용하였고^(10,11)해석시 유체는 공기밀도가 상시 바뀌는 압축성 공기로 가정하였다. 공기밀도는 1.
7과 같이 유동해석 모델을 수립하였다. 해석모델은 유체가 흐르는 노즐 라이너의 내부를 3차원 격자로 구성하여 수립하였으며, 앞서 직선형 노즐의 유동해석 모델과 같이 비압축성 공기를 유체로 가정하였다. 공기밀도는 1.

제안 방법

1. 직선형 와이드 보어 노즐을 설계한 후 압축성 유동해석을 수행하여 100mm×40mm의 유효 세정 면적을 얻었다. 이 노즐을 사용하여 브라스팅 성능시험을 수행하였고 100mm×40mm의 유효 세정 면적을 얻어 해석과 실험이 동일하였다.
본 연구에서는 산업용 발전설비 부품의 곡면을 연마할 수 있는 커브형 와이드 보어 노즐을 설계하였고 압축성 유동해석을 수행하였다. 3차원 프린팅으로 노즐 시제품을 제작하여 브라스팅 실험을 수행하였으며 결론은 다음과 같다.
이때 노즐 형상은 출구측이 직선 형인 와이드 보어 노즐과 제품의 표면을 따라 곡면으로 설계한 곡면형 노즐을 반영하였다. 그리고 3차원 프린팅 공정으로 노즐들을 제작하여 브라스팅 성능시험을 수행한다. 해석적 유효 세정면적과 실 제 브라스팅 유효 면적을 비교하여 곡면형 노즐의 실효성을 살펴본다.
그리고 총 사용된 요소의 개수는 1,171,133 개이다. 그리고 노즐 출구로부터 65mm 떨어진 위치에 실린더형 시편 모델을 수립하였다.
커브형 와이드 보어 노즐을 설계한 후 유동해 석을 통해 실린더형 원통 시편 표면에서 84mm×38mm의 면적에서 압력분포가 유효하였다. 또한 이 노즐을 3D 프린팅으로 제조한 후 브라스팅 성능시험을 수행하였으며 80mm×30mm의 유효 세정 면적을 얻었다.
본 연구에서는 산업용 발전설비 부품의 곡면을 연마할 수 있는 커브형 와이드 보어 노즐을 설계하였고 압축성 유동해석을 수행하였다. 3차원 프린팅으로 노즐 시제품을 제작하여 브라스팅 실험을 수행하였으며 결론은 다음과 같다.
그리고 이 노즐의 전체 길이는 150mm이다. 본 연구에서는 입력측에 인가되는 공기 압력을 4bar(=0.4MPa)로 선정하였으며 노즐 출구로부터 표면처리를 위한 유효 분사거리 l을 65mm로 정하였다. Fig.
본 연구에서는 커브형 와이드 보어 노즐을 설계 하기 전에 직선형 와이드 보어 노즐에 대한 압축성 유동해석을 수행하였다. Fig.
직선형 와이드 보어 노즐을 설계한 후 압축성 유동해석을 수행하여 100mm×40mm의 유효 세정 면적을 얻었다. 이 노즐을 사용하여 브라스팅 성능시험을 수행하였고 100mm×40mm의 유효 세정 면적을 얻어 해석과 실험이 동일하였다.
이 유효 면적은 해석 후 얻은 유효 면적과 그 크기가 같고 형상이 매우 유사함을 알 수 있다. 이로부터 압축성 유동해석 및 노즐 분사 성능시험을 통해 와이드 보어 노즐의 해석적 조건 설정의 유효성을 확인하였다.
그러나 노즐 출구가 직선형이며 비압축성 유동해석이 수행되었고 무엇보다 실험적 검증이 수반되지 않아 실효성이 떨어진다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 광범 위한 면적을 효율적으로 세정하기 위한 브라스팅용 와이드 보어 노즐을 3차원 캐드로 설계하고 압축성 유체를 고려한 유동해석을 수행하여 유효한 세정 면적을 구해본다. 이때 노즐 형상은 출구측이 직선 형인 와이드 보어 노즐과 제품의 표면을 따라 곡면으로 설계한 곡면형 노즐을 반영하였다.
전 절에서 압축성 유동해석을 통해 얻은 직선형 와이드 보어 노즐의 유효 면적에 대한 해석적 접근의 유효성을 확인한 후 본 절에서는 출구측 형상이 커브형을 갖는 와이드 보어 노즐을 설계하였다. Fig.
그리고 3차원 프린팅 공정으로 노즐들을 제작하여 브라스팅 성능시험을 수행한다. 해석적 유효 세정면적과 실 제 브라스팅 유효 면적을 비교하여 곡면형 노즐의 실효성을 살펴본다.

대상 데이터

공기밀도는 1.225kg/m3 로 설정하였고 유동해석에 사용된 난류모델은 (k-ε ) 모델이며 해석시간의 단축을 위해 1/4 대칭 조건을 반영 하였다.
7mm로하였다. 그리고 총 사용된 요소의 개수는 1,171,133 개이다. 그리고 노즐 출구로부터 65mm 떨어진 위치에 실린더형 시편 모델을 수립하였다.
7mm로 하였다. 그리고 총 사용된 요소의 개수는 1,537,458개이다.
225kg/m³로 설정하였고 유동해석에 사용된 난류모델은 (k-ε ) 모델이며 해석시간의 단축을 위해 1/4 대칭 조건을 반영 하였다. 본 압축성 유동해석에 사용된 유한요소는 CUTCELL 요소이며, 요소의 크기는 0.7mm로 하였다. 그리고 총 사용된 요소의 개수는 1,537,458개이다.
4MPa로 설정 하였고 난류 모델 또한 (k-ε ) 모델을 적용하였으며 해석시간의 단축을 위해 1/4 대칭 조건을 반영하였다. 본 해석에 사용된 유한요소는 육면체요소(HEX DOMINANT 옵션)이며, 요소의 크기는 0.7mm로하였다. 그리고 총 사용된 요소의 개수는 1,171,133 개이다.

이론/모형

공기밀도는 1.225kg/m3 , 입력 압력 p i =0.4MPa로 설정 하였고 난류 모델 또한 (k-ε ) 모델을 적용하였으며 해석시간의 단축을 위해 1/4 대칭 조건을 반영하였다.

성능/효과

2. 커브형 와이드 보어 노즐을 설계한 후 유동해 석을 통해 실린더형 원통 시편 표면에서 84mm×38mm의 면적에서 압력분포가 유효하였다. 또한 이 노즐을 3D 프린팅으로 제조한 후 브라스팅 성능시험을 수행하였으며 80mm×30mm의 유효 세정 면적을 얻었다.
3. 커브형 와이드 보어 노즐이 직선형 와이드 보어 노즐보다 브라스팅 면적이 작았으나 커브형 와이드 보어 노즐의 경우 해석적 유효 세정 면적과 실험적 유효 세정 면적의 크기와 형상이 유사하였으며 본 연구의 압축성 유동해석을 통한 커브형 와이드 보어 노즐의 설계가 타당함을 확인하였다.
브라스팅 분사 성능시험 후 커브형 와이드 보어 노즐의 유효 면적은 장폭 80mm, 단폭 30mm로 측정되었으며 역시 직선형 와이드 보어 노즐보다 유효 면적이 작게 측정되었다. 그러나 본연구에서 압축성 유동해석을 통해 얻은 유효 브라 스팅 면적이 실험적 유효 브라스팅 면적에 근접함을 알 수 있다. 이로부터 압축성 유동해석을 통한 커브형 와이드 보어 노즐의 설계가 타당함을 확인 하였다.
4MPa, 노즐 출구에서 실린더형 원통 시편 표면까지의 거리는 65mm로 하였다. 브라스팅 분사 성능시험 후 커브형 와이드 보어 노즐의 유효 면적은 장폭 80mm, 단폭 30mm로 측정되었으며 역시 직선형 와이드 보어 노즐보다 유효 면적이 작게 측정되었다. 그러나 본연구에서 압축성 유동해석을 통해 얻은 유효 브라 스팅 면적이 실험적 유효 브라스팅 면적에 근접함을 알 수 있다.
4MPa로 하였으며, 노즐 출구로부터 시편 표면까지의 거리를 65mm로 하였다. 실험 후 직선형 브라스팅 노즐의유효 면적은 장폭 100mm, 단폭 40mm로 측정되었다. 이 유효 면적은 해석 후 얻은 유효 면적과 그 크기가 같고 형상이 매우 유사함을 알 수 있다.
그러나 본연구에서 압축성 유동해석을 통해 얻은 유효 브라 스팅 면적이 실험적 유효 브라스팅 면적에 근접함을 알 수 있다. 이로부터 압축성 유동해석을 통한 커브형 와이드 보어 노즐의 설계가 타당함을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	브라스팅 공정에서 유체가 나오는 원리는?	브라스팅(Blasting) 공정은 발전설비, 항공산업, 기계 및 조선해양 산업분야 등 전 분야에서 부품의 표면처리를 위해 많이 적용된다 (1-4) . 이와 같은 브라스팅 공정은 대부분 분사 노즐을 사용하는데 이 노즐 을 통해 표면 세척용 마이크로 단위의 입자들이 입력된 공기압력에 의해 내부 유로를 지나면서 속도가 증가되고 출구로 퇴출된다. 이렇게 퇴출된 거친 입자들이 부품 표면에 충돌되면서 표면에 묻은 오염된 오일이나 페인트, 녹 등과 부딪혀 이들을 제거 한다.
	브라스팅(Blasting) 공정이란?	브라스팅(Blasting) 공정은 발전설비, 항공산업, 기계 및 조선해양 산업분야 등 전 분야에서 부품의 표면처리를 위해 많이 적용된다 (1-4) . 이와 같은 브라스팅 공정은 대부분 분사 노즐을 사용하는데 이 노즐 을 통해 표면 세척용 마이크로 단위의 입자들이 입력된 공기압력에 의해 내부 유로를 지나면서 속도가 증가되고 출구로 퇴출된다.
	브라스팅 공정의 세척 원리는?	이와 같은 브라스팅 공정은 대부분 분사 노즐을 사용하는데 이 노즐 을 통해 표면 세척용 마이크로 단위의 입자들이 입력된 공기압력에 의해 내부 유로를 지나면서 속도가 증가되고 출구로 퇴출된다. 이렇게 퇴출된 거친 입자들이 부품 표면에 충돌되면서 표면에 묻은 오염된 오일이나 페인트, 녹 등과 부딪혀 이들을 제거 한다. 최근에는 치아 임플란트의 나선 부분의 표면 적을 넓히면서 요철을 주기 위해 사용되기도 하는등 그 응용분야가 매우 넓다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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